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摘要：通过对机械密封的安装使用方法以及不同条件下的失效现象分析，结合泵用机械密封的实际应用和理论分析，总结分析了造成机械密封失效的主要原因，并针对性的提出措施，从而让读者更全面的了解泵用机械密封。
关键词：机械密封 失效 措施
0引言
泵是各领域使用最广泛的通用机械之一，其品种、规格繁多，绝大多数类型的泵存在一个基本的共性问题——“泄漏”，长期以来，人们主要致力于研究解决泵的密封泄漏问题。
在泵、风机、搅拌釜等旋转设备中，机械密封件是防止泄漏的关键，它最早出现于19世纪末期，当时的结构相当简单，仅由一个橡胶弹性体和金属（壳体）相摩擦，到二战期间，美国开始在化工流程泵上使用机械密封，二战后，随着石油化工行业的迅猛发展，机械密封在西方国家也发展迅速，至70年代，西方国家的炼油行业的流程泵80%采用机械密封，机械密封的应用范围也迅速扩大。其结构类型、端面材料的使用也迅速增加。我国在50年代末期，开始进行机械密封的研究，至70年代，形成了我国标准的JB1472标准的泵用和HG5-748-78；HG5-751～756-78釜用两大系列机械密封，奠定了我国机械密封行业的基础。
机械密封具有密封性好、性能稳定、侧漏量少、对轴的磨损量少等优点，其本身是一种要求较高的精密部件，在使用机械密封时，应尽可能地分析使用机械密封的各种因素，使机械密封适用于各种泵的技术要求和使用介质要求且有充分的润滑条件，这样才能保证密封长期可靠地运行。作者通过在学习和实践中的不断积累，对泵用机械密封失效的原因进行了总结和分析。
1 机械密封的结构和工作原理
机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置，该端面在流体压力及机械弹簧的作用下，依靠辅助密封的配合与另一端面相互贴合形成的微小轴向间隙起密封作用，从而防止流体泄漏。
机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使泵在运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止介质进入密封端面。密封元件的作用是密封动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙，同时缓冲对泵的振动、冲击。机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的，同时通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的，例如：泵轴的窜动量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压；机械密封处的泵轴不能有太大的挠度，否则端面比压会不均匀等等。只有满足类似这样的外部条件，再加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。
2 机械密封失效时的常见现象及分析
（1）工作时发生尖叫或嗡鸣
机械密封环所用材料，如不锈钢、铝、铬合金等，其表面金属环接触腐蚀性介质，而金属自身又不耐腐蚀，就会表面腐蚀。在生产运行过程中，缺氧条件下新氧化膜很难形成，使电偶腐蚀加剧，造成表面均匀腐蚀，并破坏了静动密封面。就会导致逐渐泄漏，并发出摩擦声响。应安装旁路冲洗管路，加大管径和相应的节流装置的尺寸，加强密封端面的冷却，检查密封平衡设计，精确测量密封腔内的压力，温度及介质压力。
（2）波纹管发生径向裂纹或断裂
泵用机械密封选用堆焊硬质合金、铸铁、碳化钨、碳化钛等密封环材料时，容易出现机械应力破裂，因为材料在加工过程中，有本体应力的存在，如焊加工时，有残余应力，在工作环境中，若存在旋转离心力、摩擦热应力或运行过程中突然停电，系统配合不好，应力破坏就很难避免。温度越高，应力机械破裂就越快。裂纹出现的原因是机械密封的冷却水是循环水，在波纹管和轴之间有一个水夹套，波纹管与水夹套间隙直径为2mm，冷却循环水遇见高温介质后在波纹管内结成水垢，使波纹管失去弹性，产生径向裂纹。应将原来的压盖冷却水的进水和回水孔扩大，提高冷却水流速，降低滞留时间，减少机械密封波纹管结垢。
（3）石墨环表面出现深且粗的环状沟纹
在使用中，如果工作介质温度很高，再加上密封摩擦副端面的摩擦热， 一旦冲刷系统发生故障， 使得端面温度急剧升高，超过允许使用温度（一般在－105～250℃）时，其表面会析出树脂，摩擦面四周树脂会发生炭化，石墨炭化是使用碳―石墨环时密封失效的主要原因之一。高温还可使密封端面间的液膜汽化或闪蒸，产生残留物质，造成石墨环磨损，石墨环表面产生环状沟纹， 碳化钨 （动环）也易脱落。应改善润滑状态，防汽化。
3机械密封泄漏点及泄漏形式
机械密封在泵类产品中应用广泛，而随着节约能源的要求和产品技术水平的提高，机械密封地应用前景将会变得更加广泛，机械密封的密封效果将直接影响整机的运行，密封失效后随即发生泄漏，将会严重影响生产正常运行。总体而言机械密封的泄漏点主要有五处：第一个点在动环与静环的接触面上。机械密封主要靠泵内液体压力及弹簧力将动环压贴在静环上，以达到密封防止泄漏。而两环的接触面上总会有少量液体泄漏，它可以形成液膜，一方面起到防止泄漏的作用，另一方面又起到润滑的作用。第二个点在静环与压盖之间，属于静密封点。用有弹性的O形或V形密封圈压于静环和压盖之间，靠弹簧力使弹性密封圈变形而密封。第三个点在动环与轴套之间，此处也属静密封点。考虑到动环可以沿轴向窜动，可采用具有弹性和自紧性的V形密封圈来密封。第四个点在轴套与轴之间，属于静密封点，一般采用O形密封圈密封。第五个点在压盖和泵体之间，也是静密封点，可采用密封圈或垫片作为密封元件。
3.1 机械密封泄露的检测步骤
现场检测密封泄漏的一般步骤是：首先判断泄漏源、断面密封问题产生的原因，由于密封介质汽化或闪蒸密封端面，先确定问题是否出现在端面不平、裂纹、破碎或爆破，发生热变形或机械变形、O型圈老化等。其次判断发生变形可能的原因，其中包括密封零件结构是否合理、强度不够或因材料及加工原因产生的残余变形等。然后检查安装，包括安装尺寸是否正确，安装时零件受力是否均匀，密封和材质是否适于使用工况，密封垫是否压紧，是否因螺栓力矩太大造成密封座变形，是否有安装损伤，必要时应予以更换。最后是启动前的调整，检查填料腔装配面和其他有关元件对轴线的垂直度、管道以及设备安装误差，起动设备前应将密封端面重新研磨以保证密封面的光滑平整。 3.2 机械密封泄漏形式
3.2.1在安装静试时出现的泄漏
机械密封安装调试完成后，通常要进行静态测试来观察泄漏量，如果泄漏量较小，问题多出在动环或静环密封圈上；如果泄漏量较大，则表明动、静环的摩擦副之间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上，再进行手动盘车观察，若泄漏量没有明显变化则说明动、静环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化则可以断定是动、静环摩擦副之间存在问题；如泄漏介质沿轴向喷射，则说明动环密封圈存在问题的可能性极大，泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。
3.2.2 机械密封试运转时出现的泄漏
安装静试完成后，由于运转时高速旋转产生的离心力会抑制介质的泄漏。因此，试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效的因素主要有：
（1）操作中因抽空、汽蚀、憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离。
（2）对安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤。
（3）动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量。
（4）静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座。
（5）工作介质中有颗粒状物质，运转中颗粒物质进入摩擦副，损伤动、静环密封端面。
（6）设计选型有误，密封端面比压偏低或密封副材质冷缩性较大等。
上述现象在试运转中经常出现，有时条件允许，可以通过适当调整静环座的方式予以消除，但多数需要重新拆装，更换密封。
3.2.3 设备在运转时出现的泄漏
（1）泵叶轮轴向窜动量超过标准，转轴发生周期性振动及工艺操作不稳定，密封腔内压力经常变化等导致的机械泄漏。
（2）设备运转时振动太大，动、静环与轴套间形成水垢使弹簧失去弹性而不能补偿密封面的磨损。
（3）对泵实际输出量测量偏小，大量介质泵内循环，热量积聚，引起介质气化，导致密封失效。
（4）摩擦副损伤或变形而不能跑合。
（5）密封圈材料选择不当，溶胀失弹性。
（6）抽空、气蚀或较长时间憋压，导致密封破坏，密封环发生龟裂。
还有一种机械密封发生泄漏的情况是泵在停运一断时间后再启动时，这种情况主要是由于摩擦副附近介质的凝固、结晶，摩擦副上有水垢、弹簧腐蚀、阻塞而失去弹性造成的。
4 机械密封失效原因分析及措施
4.1失效原因分析
1、泵轴的轴向窜量大
机械密封的密封面要有一定的比压，这样才能起到密封作用，这就要求机械密封的弹簧要有一定的压缩量，给密封端面一个推力，旋转起来使密封面产生密封所要求的比压。端面比压的计算公式：
■
PC：端面比压；PS：弹簧比压；FS：弹簧力；ΔP：摩擦副内、外两侧的差压；λ：液膜反压系数； d0：轴向滑移面直径；d1：密封端面内直径；d2：密封端面外直径
为了保证这一个比压，机械密封要求泵轴不能有太大的窜量，一般要保证在0.5mm以内。泵转子轴向窜动量大，辅助密封与轴的过盈量大，动环不能在轴上灵活移动。动、静环磨损后，得不到补偿位移。但在实际设计当中，由于设计的不合理，往往泵轴产生很大的窜量，对机械密封的使用是非常不利的。这种现象往往出现在多级离心泵中，尤其是在泵启动过程中，窜量比较大。
在多级离心泵中，采用平衡盘方法平衡轴向推力的工作原理：平衡盘工作时自动改变平衡盘与平衡环之间的轴向间隙，从而改变平衡盘前后两侧的压差，产生一个与轴向力方向相反的作用力来平衡轴向力。由于转子窜动的惯性作用和瞬态泵工况的波动，运转的转子不会静止在某一轴向平衡位置。平衡盘始终处在左右窜动的状态。平衡盘在正常工作中的轴向窜量只有0.105～0.11mm，满足机械密封的允许轴向窜量0.15mm的要求，但平衡盘在泵启动、停机、工况剧变时的轴向窜量可能大大超过机械密封允许的轴向窜量。
泵经过长时间运行后，平衡盘与平衡环摩擦磨损，间隙随着增大，机械密封轴向窜量不断增加。由于轴向力的作用，吸入侧的密封面的压紧力增加，密封面磨损加剧，直至密封面损坏，失去密封作用。吐出侧的机械密封，随着平衡盘的磨损，转子部件的轴向窜量大于密封要求的轴向窜量，密封面的压紧力减小，达不到密封要求，最终使泵两侧的机械密封全部失去密封作用。
2、泵轴的挠度和轴向力偏大
机械密封是一种旋转轴向的接触式动密封，它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴心线的密封端面紧密贴合、相对旋转，从而达到密封效果，因此要求两个密封之间要受力均匀。但由于泵产品设计的不合理，泵轴运转时，在机械密封安装处产生的挠度较大，使密封面之间的受力不均匀，导致密封效果不好。
机械密封在使用过程中是不能够承受轴向力的，若存在轴向力，对机械密封的影响是严重的。有时由于泵的轴向力平衡机构设计的不合理及制造、安装、使用等方面的原因，造成轴向力没有被平衡掉。机械密封承受一个轴向力，运转时密封压盖温度将偏高，对于聚丙烯类的介质，在高温下会被熔融，因此泵启动后很快就失去密封效果，泵静止时则密封端面出现间断的喷漏现象。
3、缺少辅助冲洗系统或辅助冲洗系统设置不合理
机械密封的辅助冲洗系统是非常重要的，它可以有效地保护密封面，起到冷却、润滑、冲走杂物等作用。有时设计人员没有合理地配置辅助冲洗系统，达不到密封效果；有时虽然设计人员设计了辅助系统，但由于冲洗液中有固体颗粒杂质，如果固体颗粒杂质进入摩擦副端面起研磨剂作用，将会划伤或加快密封端面的磨损而失效，水垢在轴套表面的堆积速度超过摩擦副的磨损速度，致使动环不能补偿磨损位移，造成机械密封失效。冲洗液的流量、压力不够，冲洗口位置设计不合理等原因，也同样达不到密封效果。 4、振动偏大
机械密封振动偏大，最终会导致失去密封效果。但机械密封振动偏大的原因往往不是机械密封本身的原因，而是泵的其它零部件产生振动连带机械密封振动，例如泵轴设计不合理、加工的原因、轴承精度不够、联轴器的平行度差、径向力大等原因都会产生振动。
5、泵汽蚀的原因
由于装置系统操作不合理以及泵进口汽蚀性能不好、泵的转速偏高，在泵的入口处发生局部汽蚀，汽蚀发生后，水中会有气泡，它一方面会冲击机械密封面的外表面，使其表面出现破损；另一方面会使动静环的吻合面的流动膜中也含有气泡，不能形成稳定的流动膜，另外泵在启动、停止过程中，由于泵进口堵塞，抽送介质中含有气体等原因，有可能使密封腔出现负压，造成密封端面的干摩擦，使机械密封装置损坏。
6、安装、检修工艺不良
动、静环接触表面不平，安装时碰伤、损坏；动、静环密封圈尺寸有误差、损坏或未被压紧；动、静环表面有异物；动、静环V型密封圈方向装反，或安装时反边；州套处泄漏，密封圈未装或压紧力不够（弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，误差±2mm，压缩量过大增加端面比压，摩擦热量过多，造成密封面热变形和加速端面磨损，压缩量过小动、静环密封端面比压不足，发生漏泄）。弹簧力不均匀，单弹簧不垂直，多弹簧长短不一；密封腔端面与轴垂直度不够；轴套上密封圈活动处有腐蚀点。
4.2 针对机械密封失效采取的措施
1、消除泵轴窜量大的措施
合理地设计轴向力的平衡装置能有效的消除轴向窜量。为了满足这一要求，对于多级离心泵，比较理想的设计方案有两个：一个是平衡盘加轴向止推轴承，由平衡盘平衡轴向力，由轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位；另一个是平衡鼓加轴向止推轴承，由平衡鼓平衡掉大部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承承担，同时轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位。第二种方案的关键是合理地设计平衡鼓，使之能够真正平衡掉大部分轴向力。两种方案通过试验观测都能很好的削弱泵轴向窜量，见下图趋势：
对于其它单级泵、中开泵等产品，在设计时采取一些措施保证泵轴的窜量在机械密封所要求的范围之内。同时正确安装轴向止推轴承。在装配机械密封时，轴的轴向窜动量应小于0.1mm，辅助密封与轴的过盈量应适当，在保证径向密封的同时，动环装配后保证能在轴上灵活移动（把动环压向弹簧能自由地弹回来）。
2、消除轴向力偏大的措施
合理地设计轴向力平衡机构，使之能够真正充分地平衡掉轴向力，给机械密封创造一个良好的条件。有些重要的泵可以在转子上设计一个轴向测力环，对轴向力的大小进行监测，发现问题及时解决。
3、消除泵轴挠度偏大的措施
这种现象大多存在卧式多级离心泵中，在设计时采取的措施有：减少两端轴承之间的距离；泵叶轮的级数不要太多，在总扬程要求较高的情况下，尽量提高每级叶轮的扬程，减少级数；增加泵轴的直径；在设计泵轴直径的时候，不要简单地考虑传递功率的大小，而要考虑机械密封、轴挠度、启动方法和有关惯性负荷、径向力等因素；提高泵轴材料的等级。
4、增加辅助冲洗系统
在条件允许的情况下，尽量设计辅助冲洗系统。冲洗压力一般要求高于密封腔压力0.107～0.11MPa，如果输送介质属于易汽化的，则应高于汽化压力0.117～0.12MPa。密封腔压力要根据每种泵的结构形式、系统压力等因素来计算。轴封腔压力很高时或者压力几乎接近该密封使用最高极限时，也可由密封腔引液体至低压区，使轴封液体流动以带走摩擦热。密封的可靠性和寿命，在很大程度上取决于密封辅助系统的配置。对泵输送含有固体颗粒的介质时，应选用碳化钨对碳化钨摩擦副的机械密封。另外，机械密封的平衡程度？也影响着密封的磨损。在选择机械密封时，平衡程度β=75%左右最适宜。β〈75%，磨损量虽然降低，但泄漏增加，密封面打开的可能性增大。对于高负荷（高PV值）的机械密封，由于端面摩擦热较大，β一般取65%～75%为宜，对低沸点的烃类介质等，由于温度对介质汽化较敏感，为减少摩擦热的影响，β取80%～85%为好。
根据长期的实践和经验，冲洗量在3～30L/min，可根据密封规格（直径）和介质的种类选取（见下表）
泵用机械密封的冲洗量（转速3000r/min）
■
5、 消除泵汽蚀措施
①提高泵抗汽蚀性能；②确保泵入口不进气；③启动泵前将泵及管路中空气排净；④工况调节要适当。
6、 消除泵振动措施
①泵检修时严格检修工艺标准；②加强维护检查，发现缺陷及时处理，避免缺陷扩大；③现场生产、操作、维修、调节时，严格把关，消除振动源。
5 结束语
设计泵用机械密封时，不仅要考虑机械密封本身影响因素，而且要考虑机械密封外部各种影响因素。在实际工作中要注意以下几个问题：
第一、在泵产品设计过程中要充分考虑到泵其它零部件以及现场其它设备对机械密封使用效果的影响，为机械密封创造一个良好的外部条件。第二、增加对机械密封辅助系统的重要作用的认识，尽可能配备完善的机械密封辅助系统，以提高密封效果。第三、分析机械密封的质量事故的原因时，要充分考虑到泵的其它零部件对机械密封运行的影响，采取措施不断提高机械密封的效果。
实践证明，机械密封的使用寿命长短是确保泵实现安全、环保、稳定运行的重要因素。只要泵本身运转正常，同时机封冲洗良好，所使用的机封符合质量要求，在检修或更换机封时能正确进行安装，就可保证机封长周期稳定运行。
参考文献：
[1]牟介刚.丙烷泵的设计与研究水泵技术：1999
[2]沈阳水泵研究所叶片泵设计手册.机械工业出版社
[3]如何提高泵用机械密封的性能及寿命.水泵技术
[4]陈勇 周志平. 机械密封的失效分析及对策.现代制造工程，2004（10）
[5]畅瑞廷 薛红平 李 锐. 分析机械密封失效的原因. 山西建筑，2003（11）
关键词：机械密封 失效 措施
0引言
泵是各领域使用最广泛的通用机械之一，其品种、规格繁多，绝大多数类型的泵存在一个基本的共性问题——“泄漏”，长期以来，人们主要致力于研究解决泵的密封泄漏问题。
在泵、风机、搅拌釜等旋转设备中，机械密封件是防止泄漏的关键，它最早出现于19世纪末期，当时的结构相当简单，仅由一个橡胶弹性体和金属（壳体）相摩擦，到二战期间，美国开始在化工流程泵上使用机械密封，二战后，随着石油化工行业的迅猛发展，机械密封在西方国家也发展迅速，至70年代，西方国家的炼油行业的流程泵80%采用机械密封，机械密封的应用范围也迅速扩大。其结构类型、端面材料的使用也迅速增加。我国在50年代末期，开始进行机械密封的研究，至70年代，形成了我国标准的JB1472标准的泵用和HG5-748-78；HG5-751～756-78釜用两大系列机械密封，奠定了我国机械密封行业的基础。
机械密封具有密封性好、性能稳定、侧漏量少、对轴的磨损量少等优点，其本身是一种要求较高的精密部件，在使用机械密封时，应尽可能地分析使用机械密封的各种因素，使机械密封适用于各种泵的技术要求和使用介质要求且有充分的润滑条件，这样才能保证密封长期可靠地运行。作者通过在学习和实践中的不断积累，对泵用机械密封失效的原因进行了总结和分析。
1 机械密封的结构和工作原理
机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置，该端面在流体压力及机械弹簧的作用下，依靠辅助密封的配合与另一端面相互贴合形成的微小轴向间隙起密封作用，从而防止流体泄漏。
机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使泵在运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止介质进入密封端面。密封元件的作用是密封动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙，同时缓冲对泵的振动、冲击。机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的，同时通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的，例如：泵轴的窜动量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压；机械密封处的泵轴不能有太大的挠度，否则端面比压会不均匀等等。只有满足类似这样的外部条件，再加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。
2 机械密封失效时的常见现象及分析
（1）工作时发生尖叫或嗡鸣
机械密封环所用材料，如不锈钢、铝、铬合金等，其表面金属环接触腐蚀性介质，而金属自身又不耐腐蚀，就会表面腐蚀。在生产运行过程中，缺氧条件下新氧化膜很难形成，使电偶腐蚀加剧，造成表面均匀腐蚀，并破坏了静动密封面。就会导致逐渐泄漏，并发出摩擦声响。应安装旁路冲洗管路，加大管径和相应的节流装置的尺寸，加强密封端面的冷却，检查密封平衡设计，精确测量密封腔内的压力，温度及介质压力。
（2）波纹管发生径向裂纹或断裂
泵用机械密封选用堆焊硬质合金、铸铁、碳化钨、碳化钛等密封环材料时，容易出现机械应力破裂，因为材料在加工过程中，有本体应力的存在，如焊加工时，有残余应力，在工作环境中，若存在旋转离心力、摩擦热应力或运行过程中突然停电，系统配合不好，应力破坏就很难避免。温度越高，应力机械破裂就越快。裂纹出现的原因是机械密封的冷却水是循环水，在波纹管和轴之间有一个水夹套，波纹管与水夹套间隙直径为2mm，冷却循环水遇见高温介质后在波纹管内结成水垢，使波纹管失去弹性，产生径向裂纹。应将原来的压盖冷却水的进水和回水孔扩大，提高冷却水流速，降低滞留时间，减少机械密封波纹管结垢。
（3）石墨环表面出现深且粗的环状沟纹
在使用中，如果工作介质温度很高，再加上密封摩擦副端面的摩擦热， 一旦冲刷系统发生故障， 使得端面温度急剧升高，超过允许使用温度（一般在－105～250℃）时，其表面会析出树脂，摩擦面四周树脂会发生炭化，石墨炭化是使用碳―石墨环时密封失效的主要原因之一。高温还可使密封端面间的液膜汽化或闪蒸，产生残留物质，造成石墨环磨损，石墨环表面产生环状沟纹， 碳化钨 （动环）也易脱落。应改善润滑状态，防汽化。
3机械密封泄漏点及泄漏形式
机械密封在泵类产品中应用广泛，而随着节约能源的要求和产品技术水平的提高，机械密封地应用前景将会变得更加广泛，机械密封的密封效果将直接影响整机的运行，密封失效后随即发生泄漏，将会严重影响生产正常运行。总体而言机械密封的泄漏点主要有五处：第一个点在动环与静环的接触面上。机械密封主要靠泵内液体压力及弹簧力将动环压贴在静环上，以达到密封防止泄漏。而两环的接触面上总会有少量液体泄漏，它可以形成液膜，一方面起到防止泄漏的作用，另一方面又起到润滑的作用。第二个点在静环与压盖之间，属于静密封点。用有弹性的O形或V形密封圈压于静环和压盖之间，靠弹簧力使弹性密封圈变形而密封。第三个点在动环与轴套之间，此处也属静密封点。考虑到动环可以沿轴向窜动，可采用具有弹性和自紧性的V形密封圈来密封。第四个点在轴套与轴之间，属于静密封点，一般采用O形密封圈密封。第五个点在压盖和泵体之间，也是静密封点，可采用密封圈或垫片作为密封元件。
3.1 机械密封泄露的检测步骤
现场检测密封泄漏的一般步骤是：首先判断泄漏源、断面密封问题产生的原因，由于密封介质汽化或闪蒸密封端面，先确定问题是否出现在端面不平、裂纹、破碎或爆破，发生热变形或机械变形、O型圈老化等。其次判断发生变形可能的原因，其中包括密封零件结构是否合理、强度不够或因材料及加工原因产生的残余变形等。然后检查安装，包括安装尺寸是否正确，安装时零件受力是否均匀，密封和材质是否适于使用工况，密封垫是否压紧，是否因螺栓力矩太大造成密封座变形，是否有安装损伤，必要时应予以更换。最后是启动前的调整，检查填料腔装配面和其他有关元件对轴线的垂直度、管道以及设备安装误差，起动设备前应将密封端面重新研磨以保证密封面的光滑平整。 3.2 机械密封泄漏形式
3.2.1在安装静试时出现的泄漏
机械密封安装调试完成后，通常要进行静态测试来观察泄漏量，如果泄漏量较小，问题多出在动环或静环密封圈上；如果泄漏量较大，则表明动、静环的摩擦副之间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上，再进行手动盘车观察，若泄漏量没有明显变化则说明动、静环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化则可以断定是动、静环摩擦副之间存在问题；如泄漏介质沿轴向喷射，则说明动环密封圈存在问题的可能性极大，泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。
3.2.2 机械密封试运转时出现的泄漏
安装静试完成后，由于运转时高速旋转产生的离心力会抑制介质的泄漏。因此，试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效的因素主要有：
（1）操作中因抽空、汽蚀、憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离。
（2）对安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤。
（3）动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量。
（4）静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座。
（5）工作介质中有颗粒状物质，运转中颗粒物质进入摩擦副，损伤动、静环密封端面。
（6）设计选型有误，密封端面比压偏低或密封副材质冷缩性较大等。
上述现象在试运转中经常出现，有时条件允许，可以通过适当调整静环座的方式予以消除，但多数需要重新拆装，更换密封。
3.2.3 设备在运转时出现的泄漏
（1）泵叶轮轴向窜动量超过标准，转轴发生周期性振动及工艺操作不稳定，密封腔内压力经常变化等导致的机械泄漏。
（2）设备运转时振动太大，动、静环与轴套间形成水垢使弹簧失去弹性而不能补偿密封面的磨损。
（3）对泵实际输出量测量偏小，大量介质泵内循环，热量积聚，引起介质气化，导致密封失效。
（4）摩擦副损伤或变形而不能跑合。
（5）密封圈材料选择不当，溶胀失弹性。
（6）抽空、气蚀或较长时间憋压，导致密封破坏，密封环发生龟裂。
还有一种机械密封发生泄漏的情况是泵在停运一断时间后再启动时，这种情况主要是由于摩擦副附近介质的凝固、结晶，摩擦副上有水垢、弹簧腐蚀、阻塞而失去弹性造成的。
4 机械密封失效原因分析及措施
4.1失效原因分析
1、泵轴的轴向窜量大
机械密封的密封面要有一定的比压，这样才能起到密封作用，这就要求机械密封的弹簧要有一定的压缩量，给密封端面一个推力，旋转起来使密封面产生密封所要求的比压。端面比压的计算公式：
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PC：端面比压；PS：弹簧比压；FS：弹簧力；ΔP：摩擦副内、外两侧的差压；λ：液膜反压系数； d0：轴向滑移面直径；d1：密封端面内直径；d2：密封端面外直径
为了保证这一个比压，机械密封要求泵轴不能有太大的窜量，一般要保证在0.5mm以内。泵转子轴向窜动量大，辅助密封与轴的过盈量大，动环不能在轴上灵活移动。动、静环磨损后，得不到补偿位移。但在实际设计当中，由于设计的不合理，往往泵轴产生很大的窜量，对机械密封的使用是非常不利的。这种现象往往出现在多级离心泵中，尤其是在泵启动过程中，窜量比较大。
在多级离心泵中，采用平衡盘方法平衡轴向推力的工作原理：平衡盘工作时自动改变平衡盘与平衡环之间的轴向间隙，从而改变平衡盘前后两侧的压差，产生一个与轴向力方向相反的作用力来平衡轴向力。由于转子窜动的惯性作用和瞬态泵工况的波动，运转的转子不会静止在某一轴向平衡位置。平衡盘始终处在左右窜动的状态。平衡盘在正常工作中的轴向窜量只有0.105～0.11mm，满足机械密封的允许轴向窜量0.15mm的要求，但平衡盘在泵启动、停机、工况剧变时的轴向窜量可能大大超过机械密封允许的轴向窜量。
泵经过长时间运行后，平衡盘与平衡环摩擦磨损，间隙随着增大，机械密封轴向窜量不断增加。由于轴向力的作用，吸入侧的密封面的压紧力增加，密封面磨损加剧，直至密封面损坏，失去密封作用。吐出侧的机械密封，随着平衡盘的磨损，转子部件的轴向窜量大于密封要求的轴向窜量，密封面的压紧力减小，达不到密封要求，最终使泵两侧的机械密封全部失去密封作用。
2、泵轴的挠度和轴向力偏大
机械密封是一种旋转轴向的接触式动密封，它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴心线的密封端面紧密贴合、相对旋转，从而达到密封效果，因此要求两个密封之间要受力均匀。但由于泵产品设计的不合理，泵轴运转时，在机械密封安装处产生的挠度较大，使密封面之间的受力不均匀，导致密封效果不好。
机械密封在使用过程中是不能够承受轴向力的，若存在轴向力，对机械密封的影响是严重的。有时由于泵的轴向力平衡机构设计的不合理及制造、安装、使用等方面的原因，造成轴向力没有被平衡掉。机械密封承受一个轴向力，运转时密封压盖温度将偏高，对于聚丙烯类的介质，在高温下会被熔融，因此泵启动后很快就失去密封效果，泵静止时则密封端面出现间断的喷漏现象。
3、缺少辅助冲洗系统或辅助冲洗系统设置不合理
机械密封的辅助冲洗系统是非常重要的，它可以有效地保护密封面，起到冷却、润滑、冲走杂物等作用。有时设计人员没有合理地配置辅助冲洗系统，达不到密封效果；有时虽然设计人员设计了辅助系统，但由于冲洗液中有固体颗粒杂质，如果固体颗粒杂质进入摩擦副端面起研磨剂作用，将会划伤或加快密封端面的磨损而失效，水垢在轴套表面的堆积速度超过摩擦副的磨损速度，致使动环不能补偿磨损位移，造成机械密封失效。冲洗液的流量、压力不够，冲洗口位置设计不合理等原因，也同样达不到密封效果。 4、振动偏大
机械密封振动偏大，最终会导致失去密封效果。但机械密封振动偏大的原因往往不是机械密封本身的原因，而是泵的其它零部件产生振动连带机械密封振动，例如泵轴设计不合理、加工的原因、轴承精度不够、联轴器的平行度差、径向力大等原因都会产生振动。
5、泵汽蚀的原因
由于装置系统操作不合理以及泵进口汽蚀性能不好、泵的转速偏高，在泵的入口处发生局部汽蚀，汽蚀发生后，水中会有气泡，它一方面会冲击机械密封面的外表面，使其表面出现破损；另一方面会使动静环的吻合面的流动膜中也含有气泡，不能形成稳定的流动膜，另外泵在启动、停止过程中，由于泵进口堵塞，抽送介质中含有气体等原因，有可能使密封腔出现负压，造成密封端面的干摩擦，使机械密封装置损坏。
6、安装、检修工艺不良
动、静环接触表面不平，安装时碰伤、损坏；动、静环密封圈尺寸有误差、损坏或未被压紧；动、静环表面有异物；动、静环V型密封圈方向装反，或安装时反边；州套处泄漏，密封圈未装或压紧力不够（弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，误差±2mm，压缩量过大增加端面比压，摩擦热量过多，造成密封面热变形和加速端面磨损，压缩量过小动、静环密封端面比压不足，发生漏泄）。弹簧力不均匀，单弹簧不垂直，多弹簧长短不一；密封腔端面与轴垂直度不够；轴套上密封圈活动处有腐蚀点。
4.2 针对机械密封失效采取的措施
1、消除泵轴窜量大的措施
合理地设计轴向力的平衡装置能有效的消除轴向窜量。为了满足这一要求，对于多级离心泵，比较理想的设计方案有两个：一个是平衡盘加轴向止推轴承，由平衡盘平衡轴向力，由轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位；另一个是平衡鼓加轴向止推轴承，由平衡鼓平衡掉大部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承承担，同时轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位。第二种方案的关键是合理地设计平衡鼓，使之能够真正平衡掉大部分轴向力。两种方案通过试验观测都能很好的削弱泵轴向窜量，见下图趋势：
对于其它单级泵、中开泵等产品，在设计时采取一些措施保证泵轴的窜量在机械密封所要求的范围之内。同时正确安装轴向止推轴承。在装配机械密封时，轴的轴向窜动量应小于0.1mm，辅助密封与轴的过盈量应适当，在保证径向密封的同时，动环装配后保证能在轴上灵活移动（把动环压向弹簧能自由地弹回来）。
2、消除轴向力偏大的措施
合理地设计轴向力平衡机构，使之能够真正充分地平衡掉轴向力，给机械密封创造一个良好的条件。有些重要的泵可以在转子上设计一个轴向测力环，对轴向力的大小进行监测，发现问题及时解决。
3、消除泵轴挠度偏大的措施
这种现象大多存在卧式多级离心泵中，在设计时采取的措施有：减少两端轴承之间的距离；泵叶轮的级数不要太多，在总扬程要求较高的情况下，尽量提高每级叶轮的扬程，减少级数；增加泵轴的直径；在设计泵轴直径的时候，不要简单地考虑传递功率的大小，而要考虑机械密封、轴挠度、启动方法和有关惯性负荷、径向力等因素；提高泵轴材料的等级。
4、增加辅助冲洗系统
在条件允许的情况下，尽量设计辅助冲洗系统。冲洗压力一般要求高于密封腔压力0.107～0.11MPa，如果输送介质属于易汽化的，则应高于汽化压力0.117～0.12MPa。密封腔压力要根据每种泵的结构形式、系统压力等因素来计算。轴封腔压力很高时或者压力几乎接近该密封使用最高极限时，也可由密封腔引液体至低压区，使轴封液体流动以带走摩擦热。密封的可靠性和寿命，在很大程度上取决于密封辅助系统的配置。对泵输送含有固体颗粒的介质时，应选用碳化钨对碳化钨摩擦副的机械密封。另外，机械密封的平衡程度？也影响着密封的磨损。在选择机械密封时，平衡程度β=75%左右最适宜。β〈75%，磨损量虽然降低，但泄漏增加，密封面打开的可能性增大。对于高负荷（高PV值）的机械密封，由于端面摩擦热较大，β一般取65%～75%为宜，对低沸点的烃类介质等，由于温度对介质汽化较敏感，为减少摩擦热的影响，β取80%～85%为好。
根据长期的实践和经验，冲洗量在3～30L/min，可根据密封规格（直径）和介质的种类选取（见下表）
泵用机械密封的冲洗量（转速3000r/min）
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5、 消除泵汽蚀措施
①提高泵抗汽蚀性能；②确保泵入口不进气；③启动泵前将泵及管路中空气排净；④工况调节要适当。
6、 消除泵振动措施
①泵检修时严格检修工艺标准；②加强维护检查，发现缺陷及时处理，避免缺陷扩大；③现场生产、操作、维修、调节时，严格把关，消除振动源。
5 结束语
设计泵用机械密封时，不仅要考虑机械密封本身影响因素，而且要考虑机械密封外部各种影响因素。在实际工作中要注意以下几个问题：
第一、在泵产品设计过程中要充分考虑到泵其它零部件以及现场其它设备对机械密封使用效果的影响，为机械密封创造一个良好的外部条件。第二、增加对机械密封辅助系统的重要作用的认识，尽可能配备完善的机械密封辅助系统，以提高密封效果。第三、分析机械密封的质量事故的原因时，要充分考虑到泵的其它零部件对机械密封运行的影响，采取措施不断提高机械密封的效果。
实践证明，机械密封的使用寿命长短是确保泵实现安全、环保、稳定运行的重要因素。只要泵本身运转正常，同时机封冲洗良好，所使用的机封符合质量要求，在检修或更换机封时能正确进行安装，就可保证机封长周期稳定运行。
参考文献：
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[3]如何提高泵用机械密封的性能及寿命.水泵技术
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[5]畅瑞廷 薛红平 李 锐. 分析机械密封失效的原因. 山西建筑，2003（11）